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讓水滴能漂浮在水面上?你也能試試看的漂浮液滴魔法!

2017/11/23 | |

你曾在某次把冰牛奶倒入熱咖啡或熱紅茶,發現漂浮在水面上,莫名不肯溶為一體的小水珠嗎?這種自然現象名為「非黏合(noncoalescence)」,也能在下雨的池塘、浪花拍打的海面與你家浴缸裡觀察到。

你曾注意過冰奶油球滴入熱咖啡時,會有片刻漂浮在咖啡表面上嗎(圖片來源:MIT 研究團隊)

過去科學界已發現溫度差、黏度(viscosity)、表面張力、液滴落下的高度、靜電荷與液滴的大小等,都會影響漂浮液滴的形成與持續時間。但由麻省理工學院(MIT)機械工程博士生米琪拉.傑瑞(Michela Geri)領導的團隊不但找到漂浮液滴發生的關鍵因素,還發現了如何操控過程的方法,讀完後快來跟泛科學編輯群一起玩玩看吧!(v編和y編已經試過了!還一起喝了咖啡!)

圖片來源:How to levitate a droplet on a liquid surface

根據 MIT 團隊發表在 2017 年第 833 期的《流體力學研究期刊》(Journal of Fluid Mechanics)的研究結果,簡單來說,如果落下的液滴溫度夠冰,而被滴入的液體夠熱,則這其中的溫度差就可能創造出暫時漂浮在液體上的液滴。

這個研究的開端,源自 MIT 數學系應用數學教授約翰.布希(John Bush)在博士班課程「界面現象(interfacial phenomena)」向學生提問:「為什麼溫度差對水液滴黏合有影響?」,正好選修了這堂課的傑瑞決定接下挑戰。

首先為了進行實驗,傑瑞打造一個約 Espresso 咖啡杯大小,四面為壓克力、底為金屬的小方盒。這個小盒子裝著矽油(silicone oil)並放置在冷熱板測試儀( hot/cold plate)上,更上方有一個注射器,用來滴入與方盒中相同黏度的矽油。

傑瑞除了透過冷熱板測試儀調整溫度,逐一測量滴下的油滴溫度與盒子內矽油表面的溫度外,也研究不同黏度矽油的影響(從稀如清水到水的 500 倍濃稠度)。她同時運用高速攝影機,以每秒 2000 幀的速度記錄矽油從滴下到徹底溶入盒中矽油的過程。

結果,當液滴與液體的溫度差異越大,越容易形成非黏合現象。當兩者的溫度相差達攝氏 30 度時,傑瑞能讓液滴維持至少十秒的非黏合現象。她進一步發現了讓液滴形成的最小溫度差,以及雙方起始的溫度差如何影響漂浮液滴維持的時間。

溫度差創造的神奇空氣魔毯!

研究團隊特別透過數學公式,解析液滴與液體之間的空氣在現象中扮演著什麼樣的角色。他們發現,液滴與液體的溫度差,會對夾雜在兩者中間的空氣層產生影響,進而防止液滴被液體接觸與吸收。

原來,溫度差導致空氣層產生對流循環。當起始溫差越大,空氣流動也會變強,當氣流循環產生的力道強到足以支撐液滴的重量,就成了讓液滴漂浮的神奇魔毯啦!

同時溫度差也讓液滴內部產生一股吸收液體熱能的流動,所以隨著時間過去,液滴的溫度會越來越接近液體,當兩者的溫度差異逐漸消弭,液滴最終就「咚」地落入液體之中。

本研究成果不但可以應用在醫藥用及美妝用的乳狀液研究,也能幫助工程師改良微流體晶片(microfluidic chip)的設計,例如讓晶片內帶著特定成分的液滴,在抵達特定的區域,達到某個特定的溫度時,才會進行溶合。

「根據我們(建構的數學模型)理論,工程界能找到保持兩顆液滴互不溶合的溫度差,以及如果用這些液滴建造出的軸承,其所維持的最大重量為何。」傑瑞指出

而研究共同作者之一布希也表示,既然液滴從懸浮狀態到溶入液體的秘密被解開了,未來科學家就有機會進一步根據溫度的變化,了解雨滴或海水是如何透過液滴傳播與混合特定的化學與生物介質。

原始論文:

  • Michela Geri, Bavand Keshavarz, Gareth H. McKinley and John W. M. Bush. Thermal delay of drop coalescence, Journal of Fluid Mechanics. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.686 Published online: 08 November 2017

參考資料:

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關於作者

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